Nanokuličky skla po zásahu silným laserovým pulzem vyzařují směrované emise elektronů. Možnosti využití takových katapultů jsou až nečekané.

Attosekundový katapult elektronů.

Vědci si rádi hrají

Vědci si rádi hrají s věcmi, které pro ostatní znějí bláznivě. Jenže zdání klame a z her se stávají pozoruhodně užitečné aplikace. Takový by mohl být i osud výzkumu týmu fyziků a chemiků v Laboratoři attosekundové fyziky, která je společným pracovištěm Ludwig-Maximilians-Universität a Max Planckova institutu kvantové optiky. Pod vedením Matthiase Klinga si hrají se silnými lasery a skleněnými nanokuličkami, o čemž nedávno sepsali článek do Nature Communications.

 Attosekundový katapult elektronů v akci

Vztah mezi silnými laserovými pulzy a nepatrnými skleněnými kuličkami je velmi speciální. A rozhodně ne samoúčelný. Mohl by se uplatnit ve vývoji nových diagnostických postupů v medicíně i leckde jinde. Skleněné nanokuličky jsou sice doopravdy maličké, přesto ale obsahují mnoho milionů atomů. Podle toho, kolik milionů atomů v sobě mají, se skleněné nanokuličky liší v reakci na laserové pulzy, která se odehraje v řádu attosekund (čili 10 na mínus 18 sekundy). Po zásahu nanokuličky laserem vznikají blízká pole (anglicky near-fields, čili elektromagnetická pole v blízkosti povrchu nanokuličky), která vyvolají směrovanou emisi elektronů. A to je attosekundový katapult elektronů v akci.

Účinek laseru na skleněné nanokuličky je úžasný

Ukazuje se, že silné laserové pulzy mají na skleněné nanokuličky úžasný účinek. Sotva nanokulička ucítí pošimrání vlnou elektromagnetického záření laserové pulzu, tak její elektrony okamžitě začnou kmitat. Tím se vytvoří blízká pole u povrchu nanokuličky. Nejsou nijak závratně veliká – jejich rozměry jsou v nanometrech a kmitají specifickým způsobem, podle vlnové délky záření laserového pulzu.

Fyzici Laboratoře attosekundové fyziky testovali chování skleněných nanokuliček o rozměrech 50 až 550 nanometrů, které jim připravili chemici. Používali přitom silné laserové pulzy o délce přibližně 4 femtosekund (čili 10 na mínus 15 sekundy) záření na vlnové délce 720 nanometrů. Čím větší byly skleněné nanokuličky, tím silnější byl elektronový katapult, který po zásahu laserovým pulzem odpaloval elektrony.

Technologie by mohla být využitelná v medicíně i elektronice

Badatelé pozorovali fungování katapultu elektronů díky detektorům částic, s nimiž sledovali dráhy elektronů odpálených katapultem po zásahu nanokuliček laserem. Energie a dráha elektronu těsně souvisí se strukturou blízkých polí kolem nanokuliček. Podle nadšeného spoluautora studie Thomase Fennela z Rostocké univerzity je odpálení elektronu katapultem jako snový ping pong na povrchu nanokuliček, který lze ovládat v rozmezí attosekund. Elektrony nejprve opustí nanokuličku, jsou přitaženy zpět, pak se odrazí od povrchu nanokuličky a dostanou pořádný kopanec od blízkého pole, který je definitivně katapultuje pryč.

Pokud vědci na attosekundových katapultech elektronů v medicíně zapracují, mohla by se tato technologie stát základem celé řady postupů pokročilého zobrazování v medicíně či ozařování nádorů. Mohla by ale také pomoct třeba při opracovávání nanomateriálů anebo při vývoji technologií pro budoucí elektroniku.

Stanislav Mihulka

Literatura

Max Planck Society 12. 8. 2015, Nature Communications 6: 7944, Wikipedia (Near and far field).